電力系統設計中的諧波分析

李啟虎

摘 要：隨著電力系統裝機容量不斷加大，以及電網中電力電子元件的使用也越來越多，致使大量的諧波電流注入電網，造成正弦波畸變，電能質量下降。此外，諧波還將引發電力設備發熱、電壓或電流諧振、電氣設備損壞等問題。

關鍵詞：電力系統;諧波;治理

1 電力系統諧波產生的原因

電力系統出現高次諧波的主要原因是：電力系統中一些設備或負荷的非線性特點，簡單來說就是電壓與電流不成正比關系致使波形畸變。在電力系統為非線性設備或負荷供電時，設備或負荷在傳遞、變換、吸收系統發動機供給的基波能量時，將其轉換為諧波能量，向電力系統輸送了大量高次諧波，導致電力系統正弦波形出現畸變，從而影響電能質量。

當正弦波電壓施加在非線性電路上時，電流就變成非正弦波，非正弦電流在電網阻抗上產生壓降，會使電壓波形也變為非正弦波。非正弦波可用傅立葉級數分解，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波。電力諧波對電力網（包括用戶）危害是十分嚴重的，它是一種電力污染。

由于線路、熒光燈、調光燈、計算機等負載，會產生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，三相配電線路中，相線上的3的整數倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網電壓，浪費電網的容量。

2 諧波對電力系統的影響

2.1 對電力電容器的影響

電力諧波可能致使電力電容器出現過熱、破損等問題，也可能致使電力電容器出現故障，同時還會影響電容器的使用壽命。首先，若并聯電容器在電容器組回路阻抗為容性，將放大諧波電流。當電網存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。使電容器過電流和過負荷，損耗功率超過上述值，使電容器異常發熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時，還可能使電網的諧波加劇，會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

2.2 對電力變壓器的影響

諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。

2.3 對繼電保護與自動裝置的影響

輸電網中的諧波不僅會影響變壓器的正常運行，還將影響繼電保護與自動裝置的正常運行，進而影響整個配電網的安全、穩定運行，因此需嚴格控制輸電網中的諧波。

2.4 增加輸電網的功耗

諧波屬于干擾能量的一種，因此輸電網中的諧波將影響輸電線路的功耗。簡單來講就是諧波將增加輸電線路的功耗，從而影響輸電線路的輸電效率及節能效果。因而，為提高輸電網的輸電效率，提高其供電質量，需嚴格控制、消除電網中的諧波。

2.5 對電力電纜的影響

由于諧波次數高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統母線側及線路感抗與系統串聯，提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯，在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。

2.6 對用電設備的危害

對電動機的危害? 諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，起制動作用，從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發出很大的噪聲。

3 電力系統諧波治理方法

想要最大限度的減少電力系統的損失，就要研究電力系統中的諧波治理方案。

3.1 在電力系統中加裝交流濾波器

當已經確定諧波源設備以后，在近距離諧波源處安裝濾波器是防止諧波電流注入電網的最有效辦法。在諧波源附近加裝有源濾波器 在諧波源處安裝有源濾波器，它會向電網中注入與原有諧波電流幅值相等、相位相同，方向相反的電流，從而使電源的總諧波電流抵消為零。從而獲得一正弦波。

3.2 加隔離變壓器

隔離變壓器可以消弱均衡的三次諧波電流傳回到電源。通常在這種變壓器的使用者會裝設一個旁路的電路以避免在進行變壓器的維護工作時長時期對負荷停止供電。使用隔離變壓器的時候要適當提高額定值，否則也會產生電壓畸變和過熱。

3.3 在無功補償的同時加裝電抗器

將特定電抗百分率的串聯電抗器配置到并聯電容器組中，一般是用來限制諧波對電容器的危害及治理，以及改善電網電壓波形的。諧波在電力系統中造成的各種電力污染，嚴重威脅著電力系統的安全運行，要長期堅持對電力諧波的治理措施才能從根本上改變電力現狀，提高電力系統運營的安全性。

3.4 整流變壓器采用Y/或/Y接線

此種方法可消除電流中的高頻率諧波，通常此方法被用在三相整流變壓器中。其工作原理為，將諧波形成電流，從而實現減少、消除諧波，提高供電質量的目標。

3.5 整流電路的多重化

目前，此種方式是減少整流電路中低頻率諧波的重要方法，其原理是通過增加方波，形成與正常波形相似的波，隨著方波疊加數量的增加，其波形將與正常波形越來越相似。假如將此方法和脈寬調制技術融合在一起，可有效消除整流電路中的低頻率諧波。

3.6 安裝TSC動態無功補償器

TSC動態無功補償器可進行三相對稱、分相動態無功補償與濾波。其是利用控制晶閘管的通斷自動投切電容器組，投切速度較快，并且過零投切可有效解決傳統設備的合閘涌流與斷電弧光等問題，投切頻率并不會影響晶閘管的性能。TSC動態無功補償器是由控制器、雙向晶閘管、放電電阻、電容器等構成的。控制器可實時檢測負載功率因數、無功電流，并且將其與設定值進行對比，動態控制投切不同組數的電容器，確保功率因素符合相關標準。現階段，動態無功功率補償器產品均采用智能微計算機全數字控制。電壓、電流、功率因數等均采用數字顯示。同時，其可與智能化電氣設備配套安裝，以實現遠程監控目標。

3.7 安裝電涌保護器

當單級電涌保護器不能將入侵的沖擊過電壓抑制到規定保護電平以下時，就要采用含有二級、三級或更多級非線性抑制元件的電涌保護器。

非線性元件Rv2和Rv2都是壓敏電阻，實用中RV1也可以使氣體放電管，RV2也可以是穩壓管或浪涌抑制二極管（TVS管）。兩極之間的隔離元件Zs可以是電感Ls或電阻Rs，若RV1和RV2的導通電壓分別是Un1和Un2，所選用的元件總是Un2> Un1。

有人認為，當入侵沖擊波加在X-E端子上時，總是第一級RV1先導銅，然后才是第二級。實際上，第一級或第二級先導通都是可能的，這取決于以下因素：

（1）入侵沖擊波的波形，主要是電流波前的聲速（di/dt）;

（2）非線性元件Rv1和RV2的導通電壓Un1和Un2的相對大小;

（3）隔離阻抗Zs的性質是電阻還是電感，以及它們的大小。

4 總結

電力諧波將對電網造成污染，影響電力系統的穩定運行。因此，要建立先進可靠的電能質量監測網絡，及時分析和反映電網的電能質量水平，為保證電網的安全、穩定、經濟運行提供重要的保障。